Entdeckung des Myon-Neutrinos

Inhalt

• Forschungsstand und Motivation• Experimentelle Details

– Aufbau– Detektor (Funkenkammer)

• Datenauswertung und Ergebnisse

Kurze Entdeckungsgeschichte

• 1932: vier Teilchen (γ, n, p, e)

• 1937: Entdeckung des µ mit Nebelkammer in Höhenstrahlung

• 1947: Entdeckung des π

• 1959: Beweis der Existenz des ν aus β-Zerfall(von Reines, Savannah River Reactor)

• Leptonzahl-Erhaltung

• keine Leptonfamilien

• nur eine Art von Neutrinos

epn

enp

Motivation

Fermi-Theorie der schwachen WW• Punkt-WW ohne Boson

• geringe Reichweite der WW• hohe Masse des W-Bosons gute Näherung bei niedrigen

Energien, Probleme bei hohen

Einführung der W/Z-Bosonen• Untersuchungen des Ratios

• theoretisch ≈ 10-4

• experimentell < 10-8

Lösung?

Annihilation?

Leptongenerationen

• Unterscheidung von νe und νµ

• Erhaltung von Le und Lµ

µ- e- + γ verbotenaus µ- e- + ν + ν wird µ- e- + νe + νµ

• erklärt zuvor unerwartet niedrigen Ratio

Experiment - Übersicht

OBSERVATION OF HIGH-ENERGY NEUTRINO REACTIONS AND THE EXISTENCE OF TWO KINDS OF NEUTRINOS

Brookhaven National Laboratory, 1962

• Ziel: Nachweis von νµ (und damit Unterscheidung von νe)

• erwartete Reaktionskette

• Nachweis der µ- im Detektor• keine e- erwartet

pn

Alternating Gradient Synchrotron

• erstmals alternating gradient focusing• Durchmesser 250 m• Protonen mit maximal 33 GeV (hier 15 GeV)• 20 ns Bursts mit 220 ns Separation

Experimenteller Aufbau

21 m 13,5 m

pn

Funkenkammer(Triggern von Events)

Cherenkov-Counter(Gating von Bursts)

Be-Target nnnp

5000 t Stahl

Filtern unerwünschterTeilchen

Funkenkammer

2,5 cm

1,0 cm

N2

Hochspannung 6 kV

Zündschaltung

Funkenkammern-Aggregat

• Neutrinos reagieren im Aluminium• νµ + n p + µ-

• 10 Trigger-Events / h• durch Triggering nur 5,5 Sekunden aktiv

• Koinzidenz-Counter• Antikoinzidenz-Counter• 10 Funkenkammern

zu je 1 t aus Al gefüllt mit N2

• Neutrino-Einfallsrichtung

Klassifizierung der Events

short/longsingle track

(myon)

vertex

(myons)

shower

(electron)

Gültige Events

113 Events bei 3,48x1017 Protonen, davon

• 49 short single tracks (pµ < 300 MeV/c)

• 34 long single tracks (pµ > 300 MeV/c)

• 22 vertex events• 8 showers (electron or proton showers)

davon 6 betrachtet mit pµ ≈ 300 MeV/c

56 gültige Events

Ausschluss kosmischer Strahlung

• Tests ohne Gatingdurch Cherenkov-Counter

Trigger-Events: 80 / sstatt 10 / h

• davon 5+-1 gültige Events von insgesamt 56

• Verteilung um 0-Linie

Ausschluss von Neutronen• Reaktion nicht von Neutronen (aus Be-Target) verursacht

– Ursprung der Events räumlich gleich verteilt

(aber freie Weglänge für Kernreaktionen in Al ca. 40 cm)– Abschirmung durch Frontschild, nur 10-4 Reaktionen erwartetTest durch Verdünnung des Frontschildes

Target Frontschild Detektor

Evidenz für Neutrinos• produzierte Teilchen vermutlich Myonen

– keine WW beim Durchgang von 820 cm Al– vgl. mittlere freie Weglänge von π: 100 cm

• Reaktionsprodukte stammen aus dem Zerfall von π und K– Ersetzen von 4 ft Stahl durch Plastik (gleiche freie Weglänge)Reduktion der Zerfallslänge auf 1/8– Reduktion der Events entspricht Erwartung

Target Plastik Frontschild Detektor

Schlussfolgerung

• Reaktionen durch Neutrinos• produzierte Teilchen sind Myonenes handelt sich um

• falls νe = νµ gleiche Zahl von e und µ Events

• 34-5 (kosmische Strahlung) µ Events• maximal 6 beobachtete Shower

νe ≠ νµ

ZWEI ARTEN VON NEUTRINOS

pn

Nobelpreis

Discovery of the Muon-Neutrino, 1988

Leon Lederman, Melvin Schwartz and Jack Steinberger